严寒地区接地部位冻胀温度应力质量通病与防治

刘永健 ，宋建勋，梁津华

（1.沈阳建筑大学 土木工程学院，辽宁 沈阳 110168；2. 沈阳建筑大学 建筑学院，辽宁 沈阳110168）

在我国严寒地区，由于四季气温变化范围较大，季节温差对处于本地区的建筑或构筑物结构产生的不利影响较为普遍，其中冻胀温度应力危害较大。冻胀温度应力危害主要表现在对建筑或构筑物结构外观、使用功能、结构安全均造成很大的破坏，解决好冻胀温度应力对建筑或构筑物结构的不利影响，已成为本地区必须重视的问题。本文针对严寒地区几种典型的由于冻胀温度应力产生的结构通病情况，从设计、施工等方面分析破坏产生的原因，并提出防治措施。

1 冻胀温度应力的产生与危害

膨胀土是一种特殊的由粘粒的亲水性矿物成分组成的一种高塑性粘土，具有冻土的物理特性。由于夏季雨水较多，水分贮存在土颗粒里面，在大气压的影响下，水分向上迁移并在冬季冻结成锋面，聚集成冰夹层。随着冰晶体的逐渐扩大，土体冻胀层体积膨胀而产生冻胀变形，土体的冻胀变形会对与之连接的建筑或构筑结构施加一个与冻胀变形同方向的冻胀力，产生冻涨温度应力。

在严寒地区，膨胀土的冻结更加严重，冻胀温度应力对与冻结膨胀土连接的建筑或构筑物结构的不利影响也更加显著，将使位于土体冻胀层内的结构产生内力、局部変形或整体位移，造成结构或构件产生剪切变形或弯曲变形，当冻胀温度应力大于结构或构件的抗弯、抗剪承载能力时，就会造成结构或构件破坏。同时，冻胀效应也会导致冻结膨胀土上部的建筑或构筑物结构在应力集中或结构薄弱处产生开裂，进而引发上部结构的破坏。

2 冻胀温度应力结构通病及成因分析

由冻胀温度应力引起的建筑或构筑物结构破坏涉及的范围较大，本文主要针对接地部位进行研究分析。实践表明，建筑或构筑物接地部位的冻胀温度应力破坏，既有设计方面原因，也有施工方面的原因，或者二者兼而有之。本文归纳了以下六类常见冻胀温度应力引起的接地部位结构通病情况，并加以分析。

2.1 挡土墙破坏

造成挡土墙产生裂缝或破坏的原因有很多方面，其中由于温度引起的冻胀裂缝是一个重要原因。受基土冻胀温度应力影响，挡土墙产生破坏的情形与原因主要有以下几方面：

图1 挡土墙出现裂缝

图2 挡土墙出现裂

①当挡土墙基础埋深不足时，沿挡土墙的长度方向可能会产生地基不均匀冻胀，造成墙体产生斜向剪切裂缝，如图1、图2所示；②在挡土墙的水平拐角处，会形成水平方向冻胀力的应力集中，造成挡土墙在拐角处开裂进而破坏； ③冬季基土受冻胀影响，挡土墙主要受到土体冻胀产生的冻胀力的弯剪作用，水平冻胀力会对挡土墙基底产生弯矩，严重时使墙体外倾，如图3所示；竖向冻胀力会对挡墙内侧造成剪切作用，严重时发生剪切破坏。

2.2 路边石外倾

路边石是生活中常见的构筑物，其受冻胀温度应力影响破坏的情况非常普遍。冬季基土受低温的影响，体积膨胀隆起，土体的膨胀是向四周展开的，其产生的温度应力也是向四周扩散的。路边石主要受到水平方向温度应力的剪切作用，造成其产生水平方向位移或倾斜，而气温回升，冻胀现象消失后，由于土体与路边石间进入异物，路边石产生的倾斜情况无法恢复，随着冻融循环次数的增加，路边石的倾斜会越来越大，造成外观与使用功能的破坏，如图4所示。

图4 路边石外倾

图3 挡土墙外倾

图5 柱子根部破坏

图6 墙体底部饰面破坏

2.3柱或墙体根部破坏

对柱或墙体来说，当冻胀发生时，其周边土体会整体向上隆起，冻胀结束后会整体回落，如果柱或墙体与周边土体相连部位没有采取结构隔离构造措施，就会产生相互作用，严重时造成结构破坏。在周边基土冻胀层内由冻胀土产生的温度应力影响，可划分为水平与竖向两类。对于无围护结构的柱或墙体，由于其周围土体对称，水平方向温度应力可相互抵消；对于有围护结构的柱或墙体，当其基础埋深在冻土层以下时，一般也可抵抗水平方向温度应力影响。实践表明，此类结构破坏更多表现为竖向应力对相连部位的剪切影响。一方面，当剪切应力超过柱或墙体的材料强度时，会使柱或墙体表面产生开裂、剥离、柱脚破碎等情况，当其表面粘贴或干挂装饰面层时，也会造成饰面层开裂或脱落，如图5、图6所示。另一方面，如相连部位土体上部有硬覆盖物，由于剪切应力的影响，更易造成硬覆盖物的结构破坏，如图7所示。

图7 柱根部地面破坏

图8 台阶破坏

2.4 室外台阶或承台类结构破坏

一般室外台阶或承台类构筑物主要由混凝土或砖、石砌筑，其基础埋深一般均在冻土层以下，其结构不会在冬季产生较大竖向变形。而与此类结构相连的部位为土体或普通硬覆盖时，在冬季相连部位基土就会冻胀向上隆起。如不采取有效隔离措施，土体隆起会对台阶或承台类构筑物根部直接造成剪切影响，造成构筑物表面开裂或装饰层脱落、开裂，影响了美观与使用功能，如图8所示。

2.5 散水破坏

散水受冻胀应力破坏与散水下部土体状况、散水及与其接触结构间的构造措施等有较大关系，散水受温度应力破坏大致有以下几种情形：

①回填土回填施工质量不合格，回填时基底未清理干净或者没有分层夯实或者夯实次数较少，使土体不均匀；回填土土质不符合要求。

②散水与主体结构间未设置沉降缝，散水下部土体冻胀发生时，其与主体结构间变形不同，相互作用造成散水或主体结构表面破坏。

③伸缩缝没有填充或者填充材料选择不当。会造成雨水的下渗，使散水下部土体含水率过高，造成冬季冻胀温度应力过大，散水被土体向上拱起，当变形不均匀时，就会产生散水开裂、错层等现象，如图 9所示。

图9 散水破坏

图10 桥梁接头破坏

2.6 桥梁与路面接头部位破坏

冬季路面下部的膨胀土受冻膨胀，路面会向上拱起，由于桥梁基础埋在冻层以下，故不会因气温变化产生明显沉降情况，此时桥梁与路面的接触部位就会出现高差，如果此处未设置结构沉降变形缝，将会造成破坏，此类破坏在严寒地区比较普遍，如图10所示。

3 冻胀温度应力结构通病的防治

上述集中接地部位的冻胀温度应力破坏形式，在严寒地区是非常普遍的，对建筑或构筑物的外观及使用功能影响较大。对这些破坏的防治，应坚持以防为主，要从设计与施工两个方面进行预防，从根本上消除问题产生的根源

3.1 路边石外倾的防治

针对路边石的破坏，根据实践经验，可采用在路边石内侧与基土接触部位填充深与路边石高度相同、宽100mm的粗砂带的方法予以解决。此方法主要基于粗砂属可压缩变形的材料，能通过自身变形化解膨胀土产生的变形，化解其膨胀变形对路边石造成的水平推力。

3.2 挡土墙破坏的防治

在设计与施工时，应考虑如何减少水平及竖向冻胀应力的不利影响。当挡土墙抵抗水平方向变形能力较弱时，可采取在挡土墙土体一侧的一定范围内（应根据土体体积、土体含水率等情况综合考虑确定），选择透水性较好的材料（如粗砂、炉渣）进行回填，化解土体水平方向冻胀变形对结构的影响；当挡土墙抵抗水平方向变形能力较强时，可在靠挡土墙内侧、在冻土层深度内，采用敷设挤塑板方式，减少竖向土体冻胀应力对结构的不利影响。

3.3 柱或墙体根部破坏的防治

对于柱或墙体根部的饰面层，施工时装饰层底边应距地面抬高20～30mm，并用耐候胶填缝，防止土体隆起撞击饰面层，对饰面层造成剪切破坏。

为减少柱或墙体表面及与之接触的土体或硬覆盖之间因冻胀应力引起的相互作用，可在地平面以下延伸到冻土层深度，在柱周边或墙体外表面采用粘贴挤塑板（或木板条）的方式，实现结构的分离，此方式将大大减轻相互作用，有效防止破坏发生。

3.4 台阶或承台类结构破坏的防治

从设计方面，依照规范规定对未配筋的混凝土构件，应设变形缝，间距不宜超过10m，最好4～6m,为避免冻胀应力产生，应尽可能使基础埋深超过冻土层深度。

台阶或承台类结构，其周边与土体接触部位，宜在冻土层深度范围内设置挤塑板（或木板条）进行结构分割；如该类结构内部需进行回填，应采用粗砂或者炉渣灰，防止用冻胀土或者含泥量较高的砂子进行回填。

对粘贴石材或瓷砖进行饰面的台阶或承台类结构，饰面层底边应自周边土层上表面向上抬高20～30mm，并用耐候胶填缝，防止土体隆起撞击饰面层造成破坏。

3.5 关于散水破坏的防治

施工时散水下部回填土应分层夯实，要根据土质情况确定每层具体铺设厚度，夯实后土体密实度不能小于0.9；回填土上表面的杂物要清理干净，要对散水基层上表面进行平整化处理；在施工过程中要安排好施工顺序，应先做墙体勒脚、后做散水，散水和建筑物墙体之间要设置沉降缝，沉降缝应采用柔性防水材料填充。

在沿散水长度方向和拐角处，应设置伸缩缝，伸缩缝间距不能超过10m，缝宽20mm，伸缩缝可采用木条或挤塑板预留，上表面采用沥青、耐候胶等柔性防水材料封堵。

3.6 关于桥梁与路面接头部位破坏

设计时，在接头部位应设置结构沉降变形缝，既要考虑水平方向温度应力产生的变形影响，也应考虑由于冻胀引起的竖向方向的沉降变形影响，其变形缝处一般可采用橡胶类材料填充，路面层结构不得粘连；也可设置专用防温度应力变形的装置，要通过构造措施消除冻胀温度应力造成的破坏。

4 结语

严寒地区由于冻胀引起的温度应力对建筑或构筑物接地部位的影响范围是非常广泛的，其危害是不容忽视的。只有做到设计方面注重细节、构造措施合理，施工方面措施得当、流程合理，施工质量可靠，才会从根本上避免冻胀温度应力造成的不利影响，实现建筑或构筑物外观以及结构安全，满足使用安全性及耐久性要求。